(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象の半導体素子の面に対して交差する方向に立設される棒状の複数の熱吸収部材と、
前記半導体素子が熱膨張しても前記複数の熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが対応し、かつ、前記複数の熱吸収部材の熱膨張によって前記熱吸収部材に対する応力が発生しないように設けられ、前記半導体素子の熱膨張率と対応する熱膨張率である材料で形成された支持部材であって、前記複数の熱吸収部材を位置決めするように前記熱吸収部材を支持する支持部材と、
を含む半導体素子用冷却器具。
【請求項２】
前記熱吸収部材の各々の側面に、前記熱吸収部材の長さ方向に並んだ複数の凹部が形成され、
隣接する熱吸収部材の対応する前記凹部の間の各々に嵌合するように、前記支持部材が設けられた請求項１記載の半導体素子用冷却器具。
【請求項３】
前記熱吸収部材に、前記半導体素子の面と平行な方向に貫通した貫通孔を設け、前記貫通孔の中央には、前記熱吸収部材の長さ方向に凹んだ凹部が形成されており、
前記支持部材は、複数の熱吸収部材の各々の貫通孔を貫通すると共に、各貫通孔の前記凹部に嵌合するように形成された凸部を有する請求項１記載の半導体素子用冷却器具。
【請求項４】
前記支持部材は、弾性変形する部材を介して前記熱吸収部材を支持している請求項１記載の半導体素子用冷却器具。
【請求項５】
前記熱吸収部材を、金属を材料として形成した請求項１〜請求項４の何れか１項記載の半導体素子用冷却器具。
【請求項６】
半導体素子と、
請求項１〜請求項５の何れか１項記載の半導体素子用冷却器具と、
前記半導体素子と、前記半導体素子用冷却器具との間に設けられた半田層と、
を含む半導体モジュール。
【請求項７】
前記半導体素子を冷却する冷却器と、
前記半導体素子と前記冷却器との間であって、前記半導体素子の前記半導体素子用冷却器具が設けられた面と反対側に設けられ、前記半導体素子及び前記冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材とを更に含む請求項６記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子用冷却器具及び半導体モジュールに係り、特に、半導体素子を冷却する半導体素子用冷却器具及び半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体素子と、前記半導体素子で発生した熱が伝導される強制冷却式の冷却器と、前記半導体素子上に半導体素子と熱的に結合してはんだで接合されているヒートマスとを備え、前記ヒートマスが電極を兼ねている半導体装置が知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
この半導体装置では、熱応力を緩和するためにヒートマスを分割しており、詳しくは、ヒートマスの、半導体素子と対向する面に、四角柱状の脚部を複数列設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１６６６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の技術では、例えば、金属として銅を用いる場合、その線膨張係数は約１８ｐｐｍ／℃である。他方、素子がシリコンの場合、その線膨張係数は約３ｐｐｍ／℃である。これを、加熱した場合、ヒートマスが膨張し、脚部も、ヒートマス本体の膨張の影響を受け、脚部の上部が外側へ押し広げられる。そして、脚部の中心軸は、素子の垂直線よりθだけ傾くこととなる。この結果、脚部と素子の間に存在する半田に対して、上下方向で見て、ヒートマスの内側では引張られ、外側では圧縮される。また、同時に、横方向に見たとき、素子に対してヒートマス側が外側に引張られる方向にせん断応力が掛かる。
【０００６】
冷熱サイクル試験のように、温度が変化する試験においては、温度が上下する度に半田に対して歪や応力が掛かる。このように、熱応力の緩和が不十分なため、半田の寿命が短くなり、半導体素子の信頼性が低くなってしまう、という問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、低温〜高温間の冷熱サイクルで生じる熱応力を緩和して半導体素子の信頼性を向上させる半導体素子用冷却器具及び半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために本発明に係る半導体素子用冷却器具は、冷却対象の半導体素子の面に対して交差する方向に立設される棒状の複数の熱吸収部材と、前記半導体素子が熱膨張しても前記複数の熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが対応し、かつ、前記複数の熱吸収部材の熱膨張によって前記熱吸収部材に対する応力が発生しないように設けられ、前記半導体素子の熱膨張率と対応する熱膨張率である材料で形成された支持部材であって、前記複数の熱吸収部材を位置決めするように前記熱吸収部材を支持する支持部材と、を含んで構成されている。
【０００９】
本発明に係る半導体素子用冷却器具によれば、支持部材によって熱吸収部材を位置決めする。また、半導体素子が熱膨張しても、複数の熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが対応するように、支持部材によって熱吸収部材を支持する。また、複数の熱吸収部材の熱膨張によって熱吸収部材に対する応力が発生しないように、支持部材によって熱吸収部材を支持する。熱吸収部材によって、半導体素子から生じた熱を吸収する。
【００１０】
このように、半導体素子が熱膨張しても、複数の熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが対応するように、支持部材によって熱吸収部材を支持すると共に、複数の熱吸収部材の熱膨張によって熱吸収部材に対する応力が発生しないように支持部材によって熱吸収部材を支持することにより、低温〜高温間の冷熱サイクルで生じる熱応力を緩和して半導体素子の信頼性を向上させることができる。
【００１１】
本発明に係る熱吸収部材の各々の側面に、熱吸収部材の長さ方向に並んだ複数の凹部が形成され、隣接する熱吸収部材の対応する凹部の間の各々に嵌合するように、支持部材が設けられるようにすることができる。また、凹部は、頂部に向けて熱吸収部材の長さが徐々に細くなるように形成されている。これによって、複数の熱吸収部材が熱膨張しても、熱吸収部材に対する応力が発生しないように支持部材によって熱吸収部材を支持することができる。
【００１２】
本発明に係る熱吸収部材に、半導体素子の面と平行な方向に貫通した貫通孔を設け、貫通孔の中央には、熱吸収部材の長さ方向に凹んだ凹部が形成されており、支持部材は、複数の熱吸収部材の各々の貫通孔を貫通すると共に、各貫通孔の凹部に嵌合するように形成された凸部を有することができる。これによって、複数の熱吸収部材が熱膨張しても、熱吸収部材に対する応力が発生しないように支持部材によって熱吸収部材を支持することができる。
【００１３】
本発明に係る支持部材は、弾性変形する部材を介して熱吸収部材を支持するようにすることができる。これによって、複数の熱吸収部材が熱膨張しても、熱吸収部材に対する応力が発生しないように支持部材によって熱吸収部材を支持することができる。
【００１４】
上記の熱吸収部材を、金属を材料として形成することができる。これによって、熱吸収部材の熱容量を大きくすることができる。
【００１５】
本発明に係る半導体モジュールは、半導体素子と、上記の半導体素子用冷却器具と、前記半導体素子と、前記半導体素子用冷却器具との間に設けられた半田層と、を含んで構成されている。
【００１６】
また、本発明に係る半導体モジュールは、半導体素子を冷却する冷却器と、半導体素子と冷却器との間であって、半導体素子の半導体素子用冷却器具が設けられた面と反対側に設けられ、半導体素子及び冷却器を電気的に絶縁する絶縁部材とを更に含むことができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明の半導体素子用冷却器具及び半導体モジュールによれば、半導体素子が熱膨張しても、複数の熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが対応するように、支持部材によって熱吸収部材を支持すると共に、複数の熱吸収部材の熱膨張によって熱吸収部材に対する応力が発生しないように支持部材によって熱吸収部材を支持することにより、低温〜高温間の冷熱サイクルで生じる熱応力を緩和して半導体素子の信頼性を向上させることができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る冷却器具の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る冷却器具の構成を示す上面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る冷却器具を製造している様子を示す上面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る冷却器具の熱膨張による変化を示す断面図である。
【図６】比較例の冷却器具を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る冷却器具の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る冷却器具の構成を示す側面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る冷却器具の構成を示す上面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る冷却器具の熱膨張による変化を示す断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る冷却器具の構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る冷却器具の構成を示す上面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る冷却器具の熱膨張による変化を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の半導体モジュールの実施形態について詳細に説明し、該説明を通じて、本発明の半導体モジュールの製造方法の詳細についても述べる。但し、本発明においては、これら実施形態に制限されるものではない。
【００２０】
本発明の第１の実施の形態に係る半導体モジュールについて図１を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態の半導体モジュール１０は、冷却器具１２と、半導体素子１４と、冷却器具１２と半導体素子１４との間に設けられた半田層１６と、半導体素子に電力供給する２つの配線用金属板１８と、２つの配線用金属板の間に形成された絶縁膜（絶縁部材）であるＡｌＮ膜２０と、ヒートシンク２２と、ヒートシンク２２を介して半導体素子１４を冷却する冷却器２４と、を備えている。
【００２１】
半導体素子１４は、例えば、縦約９ｍｍ、横約１２ｍｍ、厚さ約０．６ｍｍのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。ＩＧＢＴ以外にも他のバイポーラトランジスタ、ＭＯＳ等の電界効果トランジスタ、ＧａＮ素子、およびダイオードなど各種の半導体素子から目的等に応じて適宜選択することができる。半導体素子は市販のものを適宜選択することができ、その中では本発明の効果をより発揮し得る点で、電力用半導体素子（ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳ等）が好ましい。
【００２２】
また、例えばハイブリッド車などに用いられる三相インバータの場合には、ＩＧＢＴ１個とダイオード１個とを設けてインバータの形成に必要な最小単位であるユニットを構成し、このユニット２個を直列したもの（アーム）例えば３組（またはその倍数）を並列に組んで構成することができる。
【００２３】
また、半導体素子（ＩＧＢＴ素子）１４の配線用金属板１８が設けられている側（図１に示す半導体素子１４の下側）には、図示しない素子下側電極（例えば、縦約９ｍｍ、横約１２ｍｍ；コレクタ電極）が配設されており、この素子下側電極において、配線用金属板１８からの電力供給を受けることができるようになっている。
【００２４】
配線用金属板１８は、例えば、長さ３０ｍｍ×幅１５ｍｍ×厚み０．３ｍｍの銅板からなり、この銅板の表面に半導体素子１４が半田層（図示省略）を介して接合されると共に、外部電源と導通されて、半導体素子１４に電流を供給し、作動させ得る構成になっている。
【００２５】
なお、ＡｌＮ膜２０上に搭載されたＩＧＢＴやダイオードなどの素子は配線用金属板１８を介して素子同士の電気的接続を行なうと共に、ワイヤボンドなどによりモジュールのハウジングに設けられたバスバー等へ電気的に接続され、外部の電源からの電力摂取あるいはモーター等への電力供給等を行なう。
【００２６】
配線用金属板１８は、電気的に良導性の金属材料から目的等に応じて適宜選択して構成することができ、銅板以外に、例えば、アルミニウム、タングステン、モリブデン、インバー（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、およびこれらの積層材などを用いることができる。
【００２７】
好ましくは、熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属材料であり、伝熱効率を確保し、半導体素子の冷却効率を高め、熱応力による反りを回避する点で、銅やアルミニウム、タングステン、及びモリブデンなどが好ましい。また、比抵抗が１×１０−５Ω・ｃｍ以下の金属材料が好ましく、熱伝導率と電気伝導性を確保し、素子の動作性能を良好に保つ点でも、銅、アルミニウム、タングステン、及びモリブデンがより好ましく、特に好ましくは銅、アルミニウムである。
【００２８】
配線用金属板１８の板厚としては、特に制限はないが、通常０．１〜０．６ｍｍ程度であり、配線抵抗および熱応力の点で０．２〜０．４ｍｍが好ましい範囲である。なお、配線用金属板１８の厚み以外のサイズについては、目的等に応じて適宜選択すればよい。
【００２９】
ＡｌＮ膜２０は、例えば、長さ５０ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍの、電気抵抗率が１０１４Ωｃｍ以上（焼成後）の絶縁性を有する窒化アルミニウムの絶縁膜であり、半導体素子１４とヒートシンク２２との間に配されて、半導体素子１４（具体的には半導体素子１４が接合されている図１中の配線用金属板１８）と冷却器２４とが電気的に絶縁されるようになっている。
【００３０】
ＡｌＮ膜２０の厚みは、材質や絶縁性能、強度などを考慮して、０．２〜３ｍｍの範囲で選択することができる。
【００３１】
ＡｌＮ膜以外には、絶縁部材として熱伝導性が高く線膨張係数の小さいセラミックス材の中から選択して好適に用いることができる。前記セラミックス材としては、窒化アルミニウムのほか、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（Ｓｉ２Ｎ４）、酸化シリコン、酸化ベリリウム、シリコンカーバイドなどが挙げられ、目的等に応じて一種もしくは二種以上を選択して用いることができる。
【００３２】
また、ＡｌＮ膜２０は、２枚の配線用金属板１８によって挟まれるように配置されている。
【００３３】
ヒートシンク２２は、例えば厚み３ｍｍの放熱板である。ヒートシンク２２は、一方の面でＡｌＮ膜２０に貼り合わせられた配線用金属板１８とロウ付けで接合されており、配線用金属板１８、およびＡｌＮ膜２０等を介して半導体素子１４を保持すると共に、半導体素子１４の熱を効率良く冷却器２４側に熱伝達して放出可能なようになっている。
【００３４】
ヒートシンク２２は、ＣｕとＭｏ（またはＷまたはＣ）との複合材を用いて構成することができる。
【００３５】
冷却器２４は、図１に示すように、広幅なアルミニウム製の冷却器天板２６とアルミニウム製の凹状部材２８とで断面矩形の直方体に構成されており、冷媒を流通する中空部３０を有し、中空部３０内には熱伝導フィン３２が配設されている。熱伝導フィン３２は、中空部３０を流通する冷媒と熱交換することができる。
【００３６】
凹状部材２８の４つの側壁のうち、互いに対向する２壁には、それぞれ図示しないテーパねじ継ぎ手が装着されており、冷却水を内部に供給するための流入口３２と、熱交換して暖まった冷却水を外部に排出するための流出口３４とが形成されている。流入口３２から供給された冷却水が中空部３０内を流れて流出口３４から外部に排出されることで、冷却水と熱交換して半導体素子１４の冷却が行なえるようになっている。
【００３７】
図２に示すように、冷却器具１２は、半導体素子１４の面に対して垂直に立設された棒状の複数の熱吸収部材４０と、複数の熱吸収部材４０を支持する支持部材４２とを備えている。
【００３８】
熱吸収部材４０は、熱伝導率が高く熱容量の大きい棒状の金属（例えば、Ｃｕ，Ａｌなど）で形成され、側面に、熱吸収部材４０の長さ方向に並んだ複数の凹部４０Ａが、全周にわたり形成されている。凹部４０Ａは、凹部４０Ａの頂部に向かって徐々に熱吸収部材４０の太さが細くなるように形成されている。
【００３９】
本実施の形態では、熱伝導率が高く熱容量の大きい金属として、銅を用いた。直径２ｍｍ、長さ１０ｍｍの角棒を９本作製して熱吸収部材４０とし、その側面の全周に、深さ０．２７ｍｍで、２筋の切込みを入れて、２つの凹部４０Ａを形成した。
【００４０】
支持部材４２は、半導体素子１４の線熱膨張係数と同等の線熱膨張係数である材料で形成され、図３に示すように、複数の熱吸収部材４０を位置決めするように熱吸収部材４０を支持している。また、隣接する熱吸収部材４０の同じ高さの凹部４０Ａの間の各々に嵌合するように、支持部材４２が設けられている。
【００４１】
本実施の形態では、線膨張係数が半導体素子１４と同等の金属としてインバー（６３．５Ｆｅ−３６．５Ｎｉの合金、線膨張係数約１ｐｐｍ／℃）を用いた。厚さ１ｍｍの板材をプレスで打ち抜き、幅１．５ｍｍの短冊状で、短冊と短冊の間隔が１．５ｍｍ（ピッチ３ｍｍ）であり、短冊の長さが１０ｍｍである櫛歯状の板を、４枚作製し、複数の支持部材４２として用いた。
【００４２】
本実施の形態に係る半導体モジュール１０は、以下の方法により製造される。
【００４３】
まず、図４に示すように、９本の熱吸収部材４０の上下どちらかの凹部４０Ａに、支持部材４２の１枚を順次通し、更に直角方向からもう１枚の支持部材４２を通し、熱吸収部材４０の面内の位置を決めた後、熱吸収部材４０の他方の凹部４０Ａに同様に、２枚の支持部材４２を通し、熱吸収部材４０の中心軸を固定する。
【００４４】
次に、冷却器２４の上にロウ付けで実装した、配線用金属板１８で挟まれたＡｌＮ膜２０の上に、半田板を置き、その上に半導体素子（ＩＧＢＴ）１４を置き、更に半導体素子１４のエミッタ面に、半田板（半田層１６）を置き、その上に冷却器具１２を置いて重ねる。そして、リフロー炉にて加熱し、半田を一且溶融することにより、各部品を一体化し、半導体モジュール１０を作製する。
【００４５】
次に、本実施の形態に係る半導体モジュール１０の冷熱サイクルにおける作用について説明する。
【００４６】
棒状の熱吸収部材４０は、半導体素子１４に対する接続面以外は、固定されていない。従って、熱吸収部材４０同士の相互作用は無い。個々の熱吸収部材４０が、線膨張係数が半導体素子１４と同等の支持部材４２によって支えられているため、図５に示すように、温度変化が生じて半導体素子１４が膨張・収縮を行っても、支持部材４２も同様に膨張・収縮し、熱吸収部材４０の中心軸も半導体素子の膨張・収縮に合わせて移動する。このとき、熱吸収部材４０が膨張・収縮しても、凹部４０Ａにおける支持部材４２が嵌合する位置が、凹部４０Ａに沿って上下するだけであって、熱吸収部材４０に対する応力が発生しないため、熱吸収部材４０の中心軸は常に半導体素子１４の上面に対して垂直（または同じ角度）を保つ。これにより、熱吸収部材４０と半導体素子１４の位置関係が一定に保たれると共に、複数の熱吸収部材４０の一端部（半田層１６側）の配置関係と他端部（半田層１６と反対側）の配置関係とが一致したままとなる。また、半田層１６においても、引張りや圧縮、またはせん断の歪や応力が発生しない。
【００４７】
次に、本実施の形態に係る半導体モジュール１０に対して冷熱サイクル試験を行ない、信頼性を評価した結果について説明する。
【００４８】
具体的には、半導体モジュール１０を液相冷熱サイクル試験装置に設置し、低温層（−４０℃）と高温層（＋１０５℃）において、さらし時間各５分間の条件で、冷熱サイクルを３０００回繰り返して行なった。半田層１６のクラックは、熱吸収部材４０の直径の２０％（０．４ｍｍ）以下であった。
【００４９】
比較例として、図６に示すように、各辺１０ｍｍの立方体の銅ブロックに、深さ５ｍｍでスリットを縦横に２本ずつ入れた試料（柱３×３本）を作製した。柱の直径は前述の熱吸収部材４０と同様、２ｍｍである。上記と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、銅ブロックに対して外側の柱（図６の１、３参照）では、何れも半田層のクラックが柱の中心（柱の直径の５０％）まで達していた。即ち、熱応力に対する緩和効果が不十分であった。
【００５０】
このように、本実施形態の半導体モジュール１０では、冷熱サイクルでの試験において、熱応力を緩和して、良好な状態を保つことがわかった。
【００５１】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る半導体モジュールによれば、半導体素子が熱膨張しても、複数の熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが一致したままとなるように、半導体素子の熱膨張率と同等の熱膨張率である材料で形成された支持部材によって熱吸収部材を支持する。また、複数の熱吸収部材の熱膨張によって熱吸収部材に対する応力が発生しないように、熱吸収部材の凹部に嵌合するように設けられた支持部材によって熱吸収部材を支持することにより、低温〜高温間の冷熱サイクルで生じる熱応力を緩和でき、冷熱サイクル等の温度衝撃試験に対して安定で、接続部の半田にクラックが生じることが抑制されるため、半導体素子の信頼性を向上できる。
【００５２】
また、熱吸収部材の間の隙間は、切削や放電加工あるいは型抜きで製作しておらず、支持部材によって熱吸収部材同士の距離（隙間）が定められている。従って、工具の厚さ等に関係なく、理論的には熱膨張したとき、熱吸収部材同士が接触するまで、近接することができる。従って、熱吸収部材同士を極めて密に（極めて小さい隙間に）配設することができる。このため、熱吸収部材の面積を素子面積に近づけることができ、単位面積当りの熱容量を大きくすることができる。また、半導体素子が短時間に発生する過渡熱を速やかに吸収できるため、素子温度の上昇を抑えることができ、素子の熱暴走を防止することができる。
【００５３】
また、冷却器具を構成する熱吸収部材および支持部材は単純な形状をしており、鋳造および型抜き等で加工することができるため、コストを低くできる。
【００５４】
次に、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００５５】
第２の実施の形態では、冷却器具の構成が、第１の実施の形態と異なっている。
【００５６】
図７、８に示すように、第２の実施の形態に係る半導体モジュールの冷却器具２１２は、半導体素子１４の面に対して垂直に立設された棒状の複数の熱吸収部材２４０と、複数の熱吸収部材２４０を支持する複数の支持部材２４２とを備えている。
【００５７】
熱吸収部材２４０は、熱伝導率が高く熱容量の大きい棒状の金属（例えば、Ｃｕ，Ａｌなど）で形成され、半導体素子１４の面と平行な方向に貫通した貫通孔２４０Ａが、熱吸収部材４０の長さ方向に複数設けられ、貫通孔２４０Ａの中央部には、熱吸収部材２４０の長さ方向（下方向）に凹んだ凹部２４０Ｂが形成されている。
【００５８】
本実施の形態では、直径２ｍｍ、長さ１０ｍｍの角棒を９本作製して熱吸収部材２４０とし、２つの孔を開けて、貫通孔２４０Ａを形成した。
【００５９】
支持部材２４２は、半導体素子１４の線熱膨張係数と同等の線熱膨張係数である材料で形成され、一列に並んだ熱吸収部材２４０の同じ高さの貫通孔２４０Ａを貫通するように設けられている。また、支持部材２４２は、一列に並んだ熱吸収部材２４０の同じ高さの貫通孔２４０Ａの各々の凹部２４０Ｂに嵌合するように、支持部材２４２に凸部２４２Ａが形成されている。また、図９に示すように、複数の支持部材２４２は、半導体素子１４の面に対して複数の熱吸収部材２４０を位置決めするように熱吸収部材２４０を支持している。
【００６０】
次に、本実施の形態に係る半導体モジュールの冷熱サイクルにおける作用について説明する。
【００６１】
棒状の熱吸収部材２４０は、半導体素子１４に対する接続面以外は、固定されていない。従って、熱吸収部材２４０同士の相互作用は無い。個々の熱吸収部材２４０が、線膨張係数が半導体素子１４と同等の支持部材４２によって支えられているため、図１０に示すように、温度変化が生じて半導体素子１４が膨張・収縮を行っても、支持部材２４２も同様に膨張・収縮し、熱吸収部材２４０の中心軸も半導体素子の膨張・収縮に合わせて移動する。このとき、熱吸収部材２４０が膨張・収縮しても、凹部４０Ａにおける支持部材２４２の各凸部２４２Ａが、熱吸収部材２４０の凹部２４０Ｂに嵌合した状態が保持され、熱吸収部材２４０に対する応力が発生しないため、熱吸収部材２４０の中心軸は常に半導体素子１４の上面に対して垂直（または同じ角度）を保つ。これにより、熱吸収部材２４０と半導体素子１４の位置関係が一定に保たれると共に、複数の熱吸収部材２４０の一端部（半田層１６側）の配置関係と他端部（半田層１６と反対側）の配置関係とが一致したままとなる。半田層１６においても、引張りや圧縮、またはせん断の歪や、応力が発生しない。
【００６２】
なお、第２の実施の形態に係る半導体モジュールの他の構成及び作用については、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
【００６３】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールによれば、半導体素子が熱膨張しても、複数の熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが一致したままとなるように、半導体素子の熱膨張率と同等の熱膨張率である材料で形成された支持部材によって熱吸収部材を支持する。また、複数の熱吸収部材の熱膨張によって熱吸収部材に対する応力が発生しないように、熱吸収部材の貫通孔内の凹部と嵌合するための凸部が設けられた支持部材によって熱吸収部材を支持することにより、低温〜高温間の冷熱サイクルで生じる熱応力を緩和でき、冷熱サイクル等の温度衝撃試験に対して安定で、接続部の半田にクラックが生じることが抑制されるため、半導体素子の信頼性を向上できる。
【００６４】
次に、第３の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。
【００６５】
第３の実施の形態では、冷却器具の構成が、第１の実施の形態と異なっている。
【００６６】
図１１に示すように、第３の実施の形態に係る半導体モジュールの冷却器具３１２は、半導体素子１４の面に対して垂直に立設された棒状の複数の熱吸収部材３４０と、複数の熱吸収部材３４０を支持する複数の支持部材３４２とを備えている。
【００６７】
熱吸収部材３４０は、熱伝導率が高く熱容量の大きい棒状の金属（例えば、Ｃｕ，Ａｌなど）で形成されている。
【００６８】
支持部材３４２は、半導体素子１４の線熱膨張係数と同等の線熱膨張係数である材料で形成され、支持部材３４２には、弾性変形するバネ状の突起部材３４２Ａが設けられ、支持部材３４２は、突起部材３４２Ａを介して熱吸収部材３４０を支持している。また、図１２に示すように、複数の支持部材３４２は、半導体素子１４の面に対して複数の熱吸収部材３４０を位置決めするように熱吸収部材３４０を支持している。
【００６９】
なお、熱吸収部材３４０の側面には、突起部材３４２Ａの位置を固定するための微小な凹部が、熱吸収部材３４０の長さ方向に複数形成されていてもよい。また、突起部材３４２Ａは、支持部材３４２と同じ材料で形成してもよいし、弾性部材で形成してもよい。例えば、支持部材３４２と同じ材料で突起部材３４２Ａを形成する場合には、細く薄く突起部材３４２Ａを形成すればよい。
【００７０】
次に、本実施の形態に係る半導体モジュールの冷熱サイクルにおける作用について説明する。
【００７１】
棒状の熱吸収部材３４０は、半導体素子１４に対する接続面以外は、固定されていない。従って、熱吸収部材３４０同士の相互作用は無い。個々の熱吸収部材３４０が、線膨張係数が半導体素子１４と同等の支持部材３４２によって支えられているため、図１３に示すように、温度変化が生じて半導体素子１４が膨張・収縮を行っても、支持部材３４２も同様に膨張・収縮し、熱吸収部材３４０の中心軸も半導体素子の膨張・収縮に合わせて移動する。このとき、熱吸収部材４０が膨張・収縮しても、突起部材３４２Ａが弾性変形するだけであって、熱吸収部材３４０に対する応力が発生しないため、熱吸収部材３４０の中心軸は常に半導体素子１４の上面に対して垂直（または同じ角度）を保つ。これにより、熱吸収部材３４０と半導体素子１４の位置関係が一定に保たれると共に、複数の熱吸収部材３４０の一端部（半田層１６側）の配置関係と他端部（半田層１６と反対側）の配置関係とが一致したままとなる。半田層１６においても、引張りや圧縮、またはせん断の歪や応力が発生しない。
【００７２】
以上説明したように、本発明の第３の実施の形態に係る半導体モジュールによれば、半導体素子が熱膨張しても、複数の熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが一致したままとなるように、半導体素子の熱膨張率と同等の熱膨張率である材料で形成された支持部材によって熱吸収部材を支持する。また、複数の熱吸収部材の熱膨張によって熱吸収部材に対する応力が発生しないように、支持部材は、弾性変形する突起部材を介して熱吸収部材を支持することにより、低温〜高温間の冷熱サイクルで生じる熱応力を緩和でき、冷熱サイクル等の温度衝撃試験に対して安定で、接続部の半田にクラックが生じることが抑制されるため、半導体素子の信頼性を向上できる。
【００７３】
なお、上記の実施の形態では、熱吸収部材が、半導体素子の面に対して垂直に立設されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、半導体素子の面に対する垂直方向に対して傾斜するように熱吸収部材を立設してもよい。この場合、複数の熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが一致しない場合があるが、熱により半導体素子が膨張・収縮しても、熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが同様に変化すればよい。
【００７４】
また、熱吸収部材が、直線に延びる棒状の部材である場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、折れ曲がった棒状の部材であってもよい。この場合、複数の熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが一致しない場合があるが、熱により半導体素子が膨張・収縮しても、熱吸収部材の一端部の配置関係と他端部の配置関係とが同様に変化すればよい。
【００７５】
また、複数の熱吸収部材が全て同じものである場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、複数の熱吸収部材の太さが異なっていてもよい。
【００７６】
また、熱吸収部材が金属を材料として形成されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、熱を吸収する他の材料を用いて形成してもよい。ただ、熱容量の観点から、金属を材料として熱吸収部材が形成されていることを好ましい。
【符号の説明】
【００７７】
１０   半導体モジュール
１２、２１２、３１２  冷却器具
１４   半導体素子
１６   半田層
１８   配線用金属板
２０   ＡｌＮ膜
２２   ヒートシンク
２４   冷却器
４０、２４０、３４０  熱吸収部材
４０Ａ  凹部
４２、２４２、３４２  支持部材
２４０Ａ  貫通孔
２４０Ｂ  凹部
２４２Ａ  凸部
３４２Ａ  突起部材
【図１】
0005399289.tif 000002
【図２】
0005399289.tif 000003
【図３】
0005399289.tif 000004
【図４】
0005399289.tif 000005
【図５】
0005399289.tif 000006
【図６】
0005399289.tif 000007
【図７】
0005399289.tif 000008
【図８】
0005399289.tif 000009
【図９】
0005399289.tif 000010
【図１０】
0005399289.tif 000011
【図１１】
0005399289.tif 000012
【図１２】
0005399289.tif 000013
【図１３】
0005399289.tif 000014